Bài giảng Lý thuyết ô tô: Chương 2 - Trường CĐ Công nghệ

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

CHƯƠNG 2
CƠ HỌC CHUYỂN ĐỘNG THẲNG CỦA ÔTÔ
2.1. CƠ HỌC LĂN CỦA BÁNH XE:

2.1.1. Động học lăn của bánh xe không biến dạng:
2.1.1.1.Các khái niệm:
 Vận tốc chuyển động lý thuyết vo :
vo là vận tốc của xe khi chuyển động hoàn toàn không có trượt.
Ở đây:

Sl 2r b N b
vo  
b r b
t
t

Sl
t
rb
Nb
𝜔𝑏

– Quãng đường lý thuyết mà bánh xe đã lăn.
– Thời gian bánh xe đã lăn.
– Bán kính tính toán của bánh xe.
– Tổng số vòng quay của bánh xe.
– Vận tốc góc của bánh xe.

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 Vận tốc chuyển động thực tế v:
• v là vận tốc chuyển động của xe khi có tính đến ảnh hưởng của sự
trượt của bánh xe với mặt đường.

S t 2r l N b
v 
  br l
t
t

• Trong đó:
St – quãng đường thực tế mà bánh xe đã lăn.
t
– thời gian mà bánh xe đã lăn.
rl – bán kính lăn của bánh xe.
 Vận tốc trượt :
• Khi xe chuyển động có sự trượt giữa bánh xe với mặt đường thì
vận tốc thực tế của xe và vận tốc lý thuyết sẽ khác nhau. Sự
chênh lệch giữa hai loại vận tốc vừa nêu trên chính là vận tốc
trượt:
v  v v  r  r


o

b l

b b

:
:

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

Hệ số trượt và độ trượt:
° Hệ số trượt và độ trượt khi kéo:
Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt :



v vo v
rl
k   
 1
vo
vo
rb

Mức độ trượt của bánh xe được đánh giá thông qua độ trượt  k

 k  k 100%

° Hệ số trượt và độ trượt khi phanh:
Trong trường hợp phanh ta có hệ số trượt và độ trượt nhö sau:

v  v o v v o
rb

p   
 1  1
v v v
rl
 p  p 100%


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

2.1.1.2. Các quan hệ động học khi bánh xe lăn:
 Khi bánh xe lăn có thể xảy ra hiện tượng trượt (trượt quay khi
kéo hoặc trượt lết khi phanh), điều này sẽ làm ảnh hưởng đến
vận tốc thực tế của xe. Có thể có ba trạng thái lăn:
* Lăn không trượt ở bánh xe bị động và không phanh.
* Lăn có trượt quay ở bánh xe chủ động và đang có lực kéo.
* Lăn có trượt lết ở bánh xe đang phanh.
 Bánh xe lăn không trượt:
◊ Trong trường hợp này, tốc độ của tâm bánh xe (cũng là tốc độ
của xe) bằng với tốc độ vòng. Nghóa là tốc độ thực tế v bằng tốc
độ lý thuyết vo, ta coù:

v vo b r b


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 Do vậy, tâm quay tức thời (cực P) của bánh xe nằm trên vòng
bánh xe và bán kính lăn bằng bán kính tính toán:
rl = rb

 Trạng thái này chỉ có được ở bánh xe bị động với Mp = 0, lúc đó

Hình 2.1: Lăn không trượt.


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 Bánh xe lăn có trượt quay:
 Đây là trường hợp của bánh xe đang có lực kéo, khi đó tốc độ
của tâm bánh xe (tốc độ thực tế) v nhỏ hơn tốc độ lý thuyết vo,
do vậy cực P nằm trong vòng bánh xe và rl < rb. Trong vùng tiếp
xúc của bánh xe với mặt đường, theo quy luật phân bố vận tốc sẽ
xuất hiện một vận tốc trượt v𝛿 ngược hướng với trục x.
° Ta có quan hệ sau:
● Do đó:

v vo v  b r b v  b r l
v  v vo  0

° Theo (2.4) hệ số trượt khi kéo được tính:

v v o v
rl
 k  
 1
vo
vo
rb

Do đó v𝛿 < 0 neân v𝛿 > 0.

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

Ở trạng thái trượt quay hoàn toàn (bánh xe chủ động quay, xe
đứng yên) ta có:

v  0;  b  0  v   b r l  0  r l  0

v   v  v o  0  v o  v o

 Thay vào (2.4) suy ra:
(trượt quay hoàn toàn)
𝛿𝑘1 = 1

Hình 2.2: Lăn có trượt quay.


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 Bánh xe lăn có trượt lết:
 Đây là trường hợp bánh xe đang được phanh. Trong trường hợp
này tốc độ thực tế v lớn hơn tốc độ lý thuyết vo, cực P nằm bên
ngoài bánh xe và rl > rb. Tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt
đường cũng xuất hiện tốc độ trượt v𝛿 nhưng hướng theo hướng
dương của trục x.

Hình 2.3: Lăn có trượt lết.

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 Ta có quan hệ sau:
Do đó:
ª

v  v o  v   b r b  v   b r l
v  v  vo  b r l  b r b  0

Theo (2.6) heä số trượt khi phanh được tính:

v v o v r b
 p  
 1
v
v
rl

Do đó v𝛿 > 0 𝑛ê𝑛 𝛿𝑝 < 0

 Ở trạng thái trượt lết hoàn toàn (bánh xe bị hãm cứng không
quay, xe và bánh xe vẫn chuyển động tịnh tiến) ta có:
v  0,b  0  r l 

v

b

v o  b r b  0  v   v  v o  v

Thay vào (2.6) suy ra: 𝛿𝑝=-1 (trượt lết hoàn toaøn)


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

2.1.2. Động lực học chuyển động của bánh xe:
 Chúng ta sẽ khảo sát lực và mômen tác dụng lên bánh xe đang
lăn trên đường khi không có lực ngang tác dụng dưới các bánh
xe. Trong thực tế sẽ có ba trạng thái chuyển động khác nhau ở
các bánh xe:
 Bánh xe bị động không phanh (trạng thái bị động).
 Bánh xe chủ động và đang có lực kéo (trạng thái kéo).
 Bánh xe bị động hoặc chủ động đang bị phanh ( trạng thái phanh)
2.1.2.1. Bánh xe bị động không bị phanh (Mk = 0, Mp = 0):
 Khi đó bánh xe sẽ chịu các lực sau đây:
 Từ khung xe: Tải trọng thẳng đứng, ký hiệu Gb và lực đẩy đặt
tại tâm trục của bánh xe, hướng theo chiều chuyển động, ký
hiệu Px.


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 Từ đường tác dụng lên các bánh xe các phản lực tiếp tuyến mà
hợp lực của chúng ký hiệu là X và các phản lực pháp tuyến mà
hợp lực của chúng ký hiệu là Z.
 Phản lực tiếp tuyến X xuất hiện là do tại tâm trục bánh xe tồn tại
lực Px. Lực này có xu hướng đẩy vết tiếp xúc giữa đường với lốp
về phía trước theo chiều chuyển động. Do đó tại vết tiếp xúc sẽ
xuất hiện lực X chống lại sự dịch chuyển đó. Xét về giá trị ta có:
X = Px;

Z = Gb

Với:
Z – Phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên bánh xe.
Gb – Trọng lượng tác dụng lên bánh xe.


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 Phản lực X ngược chiều chuyển động của xe và được coi là lực
cản lăn Pf. Lực cản lăn phải được khắc phục bởi lực Px. Như vậy ta
có:
X = Pf
Pf = fZ
 Với f là hệ số cản lăn.
 Phương trình cân bằng mômen tại tâm bánh xe:

Za = Pfrđ = fZrđ = Mf
 Với Mf là mômen cản lăn.


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

Hình 2.4: Lực và mômen tác dụng lên bánh xe bị động
 Từ hình 2.4 ta rút ra quan hệ:
𝑎
𝑃𝑓
𝑡𝑔𝛼 =
=

=𝑓
𝑟đ
𝑍


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

2.1.2.2. Bánh xe chủ động và đang có lực kéo (Mk 0, Mp =0):
 Mômen chủ động Mk cùng chiều với . Mk cân bằng với cặp
lực Pk, một đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường,
một đặt tại tâm bánh xe, tức là: Mk = Pkrđ.
 Cân bằng lực theo chiều thẳng đứng:
Z = Gb

Hình 2.5: Lực và mômen tác dụng lên bánh xe chủ động.


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

° Lực kéo tiếp tuyến:
Pk = Mk/rđ
° Lực đẩy tổng cộng vào khung xe:
Px = Pk – Pf = X
° Với X là phản lực tiếp tuyến của bánh xe với mặt đường. Khi
kéo nó cùng chiều chuyển động.
 2.1.2.3. Bánh xe bị động hoặc chủ động đang bị phanh (Mk = 0,
Mp 0):

 Mômen phanh Mp ngược chiều với 𝜔b. Mp cân bằng với cặp lực
Pp, tức là:

M p  P p r ñ P p 

Mp
rñ


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

Hình 2.6: Lực và mômen tác dụng lên bánh xe đang phanh.
 Mặt khác ta vẫn có: Z = Gb.
 Cân bằng lực theo chiều nằm ngang ta có lực tác dụng vào
khung xe:
Px = Pp + Pf = X


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 Ở đây:
Pp – Lực phanh.
Px – Lực đẩy vào khung ngược chiều chuyển động của xe.
X – Phản lực tiếp tuyến, khi phanh nó ngược chiều chuyển
động của xe.
Pf – Lực cản lăn.
rđ – Bán kính động lực học, có thể coi rđ rb (bán kính tính
toán).
 Từ các quan hệ lực vừa xét ở các bánh xe ta thấy: Lực đẩy
(truyền) vào khung xe không phải là lực Pk (hoặc lực Pp) mà là
phản lực tiếp tuyến X = Px, cụ thể là:
X = Mk/rđ – Pf (khi kéo)
(2.25)

X = Mp/rđ + Pf (khi phanh)


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 Thực nghiệm đã chứng tỏ Pf không phụ thuộc vào Mk và Mp. Đồ
thị ở hình 3.7 cho thấy rõ các trạng thái chuyển động của bánh
xe. Theo qui ước về chiều thì Mp < 0; Pp < 0; Mf < 0; Pf < 0;
Mk>0; Pk >0.
 Các trạng thái chuyển động của bánh xe:
+ Ở trạng thái phanh: Mp < 0, Pp < 0, X = Pp + Pf < 0.
+ Ở trạng thái bị động: Mk = 0, Mp = 0, X = Pf < 0.
+ Ở trạng thái trung tính: 0 < Mk < , 0 < Pk < , Pf < X < 0.
+ Ở trạng thái tự do: Mk = , Pk = , X = 0.
+ Ở trạng thái kéo: Mk > , Pk > , X = Pk - >0.
‡ Lưu ý: do ở phần này chúng ta có qui ước chiều của các lực và
mômen, nên phải sử dụng dấu giá trị tuyệt đối ở các công thức.


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

Hình 2.7: Các trạng thái chuyển động của bánh xe.


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 2.1.3. Sơ đồ truyền năng lượng từ bánh xe tới mặt đường:
 Năng lượng từ động cơ truyền đến các bánh xe chủ động thông
qua hệ thống truyền lực. Sau đó năng lượng từ các bánh xe được
truyền tới mặt đường. Tùy thuộc vào trạng thái chuyển động của

bánh xe, sẽ tồn tại những dòng năng lượng sau đây. Trên hình 2.1
diễn tả các dòng công suất cho 3 trạng thái chuyển động chủ yếu
của bánh xe:
‡ Dòng công suất ở bánh xe bị động ( hình 2.8.a ).
‡ Dòng công suất ở bánh xe chủ động ( hình 2.8.b ).
‡ Dòng công suất ở bánh xe đang phanh ( hình 2.8.c ).


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

Hình 2.8: Các dòng năng lượng đối với các trạng thái chuyển động
của bánh xe.
a – Bánh xe bị động.
b – Bánh xe chủ động.
c – Bánh xe đang phanh.


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

Khi khảo sát năng lượng truyền từ bánh xe tới mặt đường, sẽ xuất
hiện 3 dạng công suất sau đây:
 Công suất trên trục của bánh xe: Nk hoặc Np
‡ Trong trường hợp bánh xe chủ động đang có lực kéo thì mômen
Mk và vận tốc góc bánh xe cùng chiều, cho nên công suất Nk sẽ
là dương:
Nk = Mk. 𝜔𝑏 > 0
‡ Trong trường hợp bánh xe đang bị phanh thì mômen Mp và vận
tốc góc bánh xe ngược chiều, cho nên công suất Np sẽ là âm:
Np = Mp. 𝜔𝑏 < 0

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 Công suất truyền qua ổ trục của bánh xe: Nx
Nx = Px.v
‡ Trong trường hợp bánh xe chủ động đang có lực kéo thì Px và v
ngược chiều nhau. Bởi vậy công suất Nx được coi là âm vì nó
truyền khỏi bánh xe. Đây là dòng công suất truyền lên khung xe
và đẩy xe chạy tới.
‡ Trong trường hợp bánh xe đang bị phanh thì Px và v cùng chiều.
Bởi vậy công suất Nx được coi là dương và dòng công suất này
được truyền tới bánh xe, sau đó sẽ được tiêu hao chủ yếu trong cơ
cấu phanh.


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 Công suất tổn hao: Nm
Vì Nm là công suất mất mát nên nó có giá trị âm.
 Khi bánh xe chuyển động ổn định, ta có phương trình cân bằng
năng lượng:
Nk + Nx + Nm = 0
Từ đó ta coù:
N m   N k  N x  M k ω b  Px v  Pk v 0  (Pk  Pf )v 
 Pf v  Pk (v  v 0 )  Pf v  Pk v δ  N f  N δ
Trong đó:
v0 – Vận tốc lý thuyết.
v – Vận tốc thực tế.
v𝛿 – Vận tốc trượt.
Nf = Pf.v Được gọi là công suất cản lăn, có giá trị âm.

N𝛿 = Pk.v𝛿 Được gọi là công suất trượt quay.
Nếu bánh xe đang bị phanh thì Pk sẽ được thay bằng Pp, lúc đó:
N𝛿 = Pp.v𝛿 Được gọi là công suất trượt lết.


BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ – KHOA CƠ KHÍ

 Lưu ý rằng N luôn có giá trị âm, bởi vì khi trượt quay thì
Pk>0,còn V𝛿 <0, ngược lại khi trượt lết thì Pp <0, còn V𝛿 >0.
 Dễ thấy rằng: công suất cản lăn luôn tồn tại khi bánh xe lăn, còn
công suất trượt chỉ có khi có lực Pk ( hoặc Pp ), tức là chỉ khi có
mômen Mk ( hoặc Mp ) tác dụng lên bánh xe.
 Khi xe chuyển động ( trạng thái kéo ) trên đường cứng thì thông
thường vận tốc trượt khá nhỏ, nên công suất trượt có thể bỏ. Khi
xe chuyển động trên đường đất mềm ( đường địa hình ) thì không
thể bỏ qua công suất trượt.
 2.1.4.Sự trượt của bánh xe, khái niệm về khả năng bám và hệ số
bám:
 2.1.4.1. Sự trượt của bánh xe:
o Khi các bánh xe lăn, dưới tác dụng của mômen xoắn chủ động,
các bánh xe có mấu bám lên đất, ép đất theo phương nằm ngang
và có chiều ngược với chiều chuyển động của xe.